Коленный сустав традиционно описывался как простой шарнирный сустав, в котором происходит сгибание и разгибание вокруг одной фиксированной оси. Однако современные биомеханические исследования показали, что такая модель значительно упрощает реальную кинематику колена. Движение в коленном суставе является трёхмерным процессом, включающим сочетание вращения, перекатывания и скольжения суставных поверхностей.
Поэтому в современной биомеханике используется несколько различных осей вращения, каждая из которых отражает определённый аспект движения сустава. Одни из них описывают реальные оси движения, другие являются анатомическими ориентирами, а третьи используются в координатных биомеханических моделях для количественного анализа движений.
Реальные оси движения, анатомические ориентиры и координатные модели
В биомеханике коленного сустава принято различать три уровня описания осей движения.
Первый уровень — реальные оси движения. Это оси, вокруг которых фактически происходит движение бедренной кости относительно большеберцовой.
Второй уровень — анатомические оси-ориентиры. Эти оси используют как приближение реальных осей движения, особенно в клинической ортопедии и при планировании эндопротезирования.
Третий уровень — координатные оси биомеханических моделей. Они применяются для количественного анализа движения и позволяют описывать шесть степеней свободы коленного сустава: сгибание-разгибание, варус-вальгус, внутреннюю и наружную ротацию, передне-заднее смещение, медиолатеральное смещение и компрессию-дистракцию.
Ось сгибания-разгибания
Главной осью движения коленного сустава считается ось сгибания-разгибания (flexion-extension axis, FEA). Именно вокруг этой оси происходит основное движение колена.
Классические биомеханические исследования показали, что движение коленного сустава можно описать как вращение вокруг функциональной оси, проходящей через задние отделы мыщелков бедренной кости. Эта ось близка к трансэпикондилярной оси бедренной кости и к оси, соединяющей центры задних мыщелков.
Анатомически она проходит примерно между медиальным эпикондилярным желобком и латеральным эпикондилярным выступом бедренной кости. Поэтому она тесно связана с хирургической трансэпикондилярной осью, которая используется как основной ориентир при ортопедических операциях.
Важно отметить, что при сгибании и разгибании коленного сустава бедренная кость не просто вращается относительно большеберцовой. Движение включает сочетание перекатывания, скольжения и вращения суставных поверхностей, что делает кинематику колена значительно более сложной.
Трансэпикондилярная ось
Трансэпикондилярная ось (transepicondylar axis) является главным анатомическим ориентиром для оси сгибания-разгибания.
Различают два варианта этой оси. Хирургическая трансэпикондилярная ось проводится между медиальным эпикондилярным желобком и латеральным эпикондилярным выступом. Клиническая или анатомическая трансэпикондилярная ось соединяет наиболее выступающие точки обоих эпикондилов.
Хирургическая трансэпикондилярная ось считается наиболее точным анатомическим ориентиром функциональной оси сгибания-разгибания. Именно поэтому она широко используется при позиционировании бедренного компонента во время тотального эндопротезирования коленного сустава.
Ось задних мыщелков бедренной кости
Ещё одним важным ориентиром является ось задних мыщелков бедренной кости, которую часто называют posterior condylar axis или cylindrical axis.
Эта ось определяется геометрией задних отделов медиального и латерального мыщелков бедренной кости. Биомеханические исследования показали, что функциональная ось сгибания коленного сустава часто располагается близко к оси, проходящей через центры задних мыщелков.
Поэтому ось задних мыщелков широко используется в моделях нативной кинематики колена и при планировании ортопедических операций.
Продольная ось внутренней и наружной ротации
Помимо сгибания и разгибания, в коленном суставе происходит внутренняя и наружная ротация большеберцовой кости относительно бедренной. Для описания этого движения используется продольная ось ротации.
Эта ось проходит преимущественно через медиальный отдел коленного сустава. Такое расположение объясняет асимметрию движений медиального и латерального отделов сустава.
Медиальный отдел коленного сустава является относительно стабильным и функционирует как опорная точка, тогда как латеральный отдел обладает большей подвижностью и участвует в передне-заднем смещении суставных поверхностей. Это лежит в основе концепции медиального или латерального pivot в зависимости от характера движения.
Screw-home mechanism
Особое значение продольная ось ротации имеет для так называемого screw-home mechanism — механизма автоматической ротационной стабилизации коленного сустава.
В терминальных градусах разгибания происходит наружная ротация большеберцовой кости относительно бедренной. В условиях закрытой кинематической цепи этот процесс можно описать как внутреннюю ротацию бедренной кости относительно фиксированной голени.
Этот механизм связан с асимметрией мыщелков бедренной кости, натяжением крестообразных связок и особенностями геометрии суставных поверхностей. Он позволяет «запирать» коленный сустав в положении полного разгибания и повышает его устойчивость при стоянии.
Ось варуса-вальгуса
В коленном суставе также существует движение варуса и вальгуса, которое можно описать как небольшое отклонение в фронтальной плоскости. Для его описания используется условная ось варуса-вальгуса.
В нормальном коленном суставе это движение ограничено связочным аппаратом, прежде всего коллатеральными связками. В положении полного разгибания амплитуда этого движения минимальна. При сгибании колена она может несколько увеличиваться, поскольку часть связочных структур становится менее натянутой.
В клинической биомеханике движение варуса-вальгуса обычно рассматривается как небольшой компонент сложного трёхмерного движения сустава.
Передне-задняя ось
В биомеханических моделях движения коленного сустава часто используется передне-задняя ось. Она применяется в координатных системах для описания движения варуса и вальгуса, а также для количественного анализа кинематики колена.
Использование этой оси позволяет описывать движение коленного сустава в рамках моделей шести степеней свободы.
Мгновенная ось вращения
Одним из ключевых понятий современной биомеханики является мгновенная ось вращения (instantaneous axis of rotation).
Коленный сустав не вращается вокруг одной фиксированной линии во время движения. В каждый конкретный момент времени существует своя текущая ось вращения, которая может изменять своё положение по мере сгибания, разгибания, ходьбы или других движений.
Поэтому для описания реальной кинематики колена используют понятия мгновенного центра вращения и мгновенной оси вращения.
Геликоидная ось движения
В современных биомеханических моделях движение коленного сустава часто описывают с помощью геликоидной или спиральной оси (helical axis).
Этот подход учитывает, что движение сустава представляет собой сочетание вращения вокруг оси и одновременного небольшого перемещения вдоль этой оси. Такая модель позволяет более точно описывать сложную трёхмерную кинематику коленного сустава.
Центр вращения при функциональных движениях
Исследования движения коленного сустава во время ходьбы показали, что положение центра вращения может изменяться в зависимости от вида активности.
В некоторых исследованиях показано, что при нормальной ходьбе центр вращения в поперечной плоскости может располагаться латеральнее центра суставной поверхности большеберцовой кости. Это приводит к так называемому латеральному типу pivoting во время опорной фазы шага.
Такие результаты подтверждают, что кинематика коленного сустава может существенно отличаться в зависимости от характера движения.
Клиническое значение
Понимание осей вращения коленного сустава имеет важное значение для клинической практики. Эти знания используются при реконструкции крестообразных связок, анализе нестабильности коленного сустава, исследовании походки и оценке биомеханики пателлофеморального сочленения.
Кроме того, точное определение анатомических осей является ключевым фактором при позиционировании компонентов во время тотального эндопротезирования коленного сустава. Ошибки в ориентации компонентов относительно функциональной оси сгибания-разгибания могут приводить к нарушению кинематики сустава и ухудшению результатов операции.
Заключение
Современные биомеханические исследования показывают, что коленный сустав не имеет одной фиксированной оси вращения. Его движение представляет собой сложный трёхмерный процесс, включающий несколько функциональных и условных осей.
К наиболее важным из них относятся ось сгибания-разгибания, продольная ось внутренней и наружной ротации, условная ось варуса-вальгуса, а также мгновенная и геликоидная оси движения. Основным анатомическим ориентиром для функциональной оси сгибания-разгибания считается трансэпикондилярная ось бедренной кости.
Такой многоосевой характер движения объясняет сложность кинематики коленного сустава и необходимость учитывать трёхмерную биомеханику при клинической оценке его функции.